Generadores de alta tensión

5/7/2018 Generadores de alta tensión - slidepdf.com

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Generadores de alta tensión.

Rectificador y multiplicador de tensión. De manera casi unánime, para obtener tensiones muy altas se recurre acircuitos multiplicadores de voltaje mediante redes de condensadores y diodosya que resulta bastante complicado o no conveniente pasar directamente detensiones de decenas de voltios a decenas de miles. Para alimentar los tubosde rayos catódicos en los televisores se emplean tensiones del orden de los 25kV que se obtienen triplicando la salida del transformador de MAT. Cuando se trabaja con voltajes superiores a los 10 KV, las posibilidades dechispas, fugas coronas y otros efectos de alta tensión son el mayor problema aresolver por el constructor de estos aparatos. Por ello en los circuitosmultiplicadores comerciales los componentes del multiplicador y los cables de

entrada y salida suelen estar muy bien aislados con gruesas capas de silicona.Pretender hacer un circuito sin un buen planteamiento de los aislantes eslanzarse a un fracaso casi seguro. Empleando la técnica descrita a continuación yo he construido varios circuitosmultiplicadores que han alcanzado el espantoso voltaje de más de 300.000voltios, con chispas de más de 40 cm de longitud que hacían el ruido de unabuena traca de petardos. Y tengo que decir que me siento muy satisfecho desu funcionamiento, flexibilidad y facilidad de fabricación. Circuitos multiplicadores de voltaje. A lo largo del siglo XX se desarrollaron diversas máquinas y circuitos paraobtener altos voltajes de corriente continua. Entre ellos están lo generadoresVan del Graaf, los carretes de Rumkoff y otros como los multiplicadores devoltaje a partir de una corriente alterna de alta tensión que son los quedescribimos aquí. Estos circuitos se desarrollaron durante por Cockroft yWalton en 1932 como fuente de alta tensión para un acelerador de partículaspara experimentación nuclear. A continuación se representa el circuito quecorresponde a la celda básica de un multiplicador de tensión



Como se puede ver esta formado por dos diodos y dos condensadores. Susuponemos que el consumo de corriente es nulo, El voltaje en continua Vout,es dos veces el voltaje de pico de la corriente alterna de entrada Vin. La salidaes de tensión positiva. Esta celda básica, teóricamente, se puede repetircuantas veces sea necesario aunque en la práctica a partir de diez veces su

rendimiento no resulta aceptable.

En el circuito anterior se han conectado cinco etapas multiplicadoras en seriecon lo cual, el voltaje de salida (positivo) es aproximadamente 10 veces elvoltaje de pico de la entrada. Para obtener voltajes positivos en vez de negativos basta con invertir el sentidode los diodos, pero resulta más conveniente construir un subconjunto quesimplemente cambiando las entradas y las salidas para que proporcionevoltajes negativos o positivos.



Como puede verse, si consideramos masa (o común) el terminal 2 yconectamos la entrada de alterna al 1, La salida 4 proporcionara frente a 2 unasalida positiva. Para obtener salidas negativas se conecta la entrada de alternaa 3, consideremos masa a 4 y la salida la obtenemos en 2 (considerando masaen 4).

Valores de los componentes. Generalmente los diodos y los condensadores de toda la red de multiplicadorestienen el mismo valor. Esta claro que la tensión inversa máxima de los diodos yde los condensadores debe ser al menos dos veces la tensión de pico de laentrada aunque se aconseja dejar un margen suficientemente amplio. No vamos a desarrollar las formulas para calcular el rizado, tan solo algunareceta suficiente para conseguir un buen funcionamiento del circuito. En teoríacuanto mayor sean estos condensadores menos rizado tiene el generador. Noobstante cuanto mayor sea esta capacidad mas energía se almacena en elloscon lo cual si el valor es demasiado grande cualquier descarga accidental setransformara en un rayo con capacidad para destruir muchos circuitos. El valormínimo de estos condensadores puede considerarse para un rizado de un 5 %de la tensión de nominal de suministro. Este valor disminuye con la frecuenciade operación y aumenta con la corriente esperada de consumo. Como caso practico, un circuito multiplicador que opere a 20 Khz., alimentado

con corriente alterna de entre 10 y 15.000 voltios y una corriente de 2 mA omenos puede operar con un rizado bastante aceptable empleandocondensadores de 1 nF. Si operamos a la mitad de frecuencia o pensamos enel doble de intensidad, o si necesitamos la mitad de rizado el valor de estoscondensadores deberá ser el doble. Algunas veces he pensado en emplear un transformador de neón con unasalida de 15 kV de pico para alimentar un multiplicador. Pensaba en obtenercorrientes del orden de los 20 mA, para lo que debía emplear condensadoresde al menos 400 nF a 15.000 voltios. Con un pequeño calculo (E= 1/2 CV2) secalcula que la energía almacenada en cada condensador es de 50 julios, más o

menos el equivalente a la de una bala de pistola. Suficiente para destruir losdiodos u otros componentes en caso de una descarga accidental. Si en vez deoperar a 50 Hz operásemos a 20 Khz. los condensadores pueden ser 400veces inferiores y su energía almacenada 400 veces menor. Como se puedever es evidente la ventaja de operar a las frecuencias más altas posibles. Loscondensadores son menores, lo cual produce un aumento en la fiabilidad y unaenorme reducción del coste de los componentes y el tamaño.

Diodos. Los diodos deben soportar al menos el doble de la tensión de loscondensadores y deben ser lo suficientemente rápidos para operar a lasfrecuencias decididas. Muchos diodos como los empleados en hornos

microondas son adecuados para trabajar a la frecuencia de la red, pero no loson para trabajar a 20 Khz. que es el caso en que estamos.



Construcción practica, de un generador de 300.000 voltios 1 mA.

La fotografía a continuación muestra la etapa rectificadora y multiplicadora.Esta compuesta por 12 etapas que dan un total de multiplicación por 24.Teóricamente alimentando con 15.000 voltios a 20 Khz. debería proporcionar

360.000 voltios. En la practica no llega a alcanzar esta tensión salvo en circuitoabierto. El conjunto esta montado en un tubo de poliéster transparente de 50 mm dediámetro y 600 mm de longitud. El cilindro esta lleno de aceite de parafina paraaislar los componentes. Este aislamiento es mucho más ventajoso queembeber los componentes en resina ya que se pueden ver las posibles coronasinteriores y resulta muy fácil su reparación. A cambio hay que tener cuidadopara evitar que se salga el aceite. Se puede emplear aceite de transformador,pero el aceite de parafina es más limpio y suficientemente aislante y además esincoloro y transparente.



Los componentes azules y amarillos son exactamente el mismo condensadorde 1 nF 15 Kv, la diferencia de color se debe a que son de distinto fabricante. El tubo esta cerrado en su parte inferior con un tapón de metacrilato pegado.En la parte superior se cierra con un tapón con una junta tórica que se fijamediante unos tornillos de plástico. El sistema resulta hermético y no pierdeaceite. Tanto en el cierre inferior como en el superior hay dos conectores dedos contactos.

En el interior del tubo hay una placa de metacrilato de 10 x 30 x 550 mm con unconector en cada extremo que se acoplan con los de los cierres. Sobre estaplaca se montan los componentes según el esquema expuesto anteriormente,de manera que simplemente sacando la placa e invirtiendo su sentido se puede

pasar de generación de voltaje positivo a negativo. Como se puede ver en las



fotografías, se deja una pequeña cámara de aire en el interior del tubo parapermitir la dilatación del aceite. La placa de plástico contribuye a dar estabilidad mecánica a la red decondensadores y diodos. Para mejorar la estabilidad conviene, de cuando en

cuando, atar los componentes a la placa mediante un hilo de material noconductor. (Nylon por ejemplo)

El sistema de montaje empleado tiene varias ventajas. Es económico, es fácilde fabricar, permite invertir la polaridad con solo girar la placa de componentes,es fácilmente reparable ya que en el caso de que se estropee un componentese desarma la placa y se sustituye. En mi caso el tubo completo de multiplicador se fija en una U (de 200 x 200 mmaprox.) construida con chapa de aluminio de 2 mm de espesor. Las conexionesde alterna de sacan por debajo con cable aislante de alta tensión. (Tener encuenta que se alimenta a 15 kV).



La salida cuenta con un conector hembra de los del tipo banana, sellado conAraldit para evitar fugas de aceite. En una de las fotografías anteriores elterminal positivo esta conectado a una esfera de aluminio de las empleadas enlos generadores Van der Graaff. Si se dispone de una de ellas es muyconveniente, ya que las tensiones que aquí se manejan no son "moco de

pavo". Si se coloca una esfera como la descrita, y acercamos (empleando una vara deun metro de material aislante) un electrodo conectado a tierra, saltaran chispasde mas de 25 cm de longitud con un buen ruido. En caso de no conectar laesfera, del terminal de salida saldrá una especia de chorro de iones de colorazulado y ruido parecido al del aire a presión de casi 5 cm de longitud. Sicolocamos aquí un electrodo terminado en punta este chorro será aun máspotente.

Materiales para fabricar el multiplicador.

Los condensadores empleados son cerámicos de 1 nF / 15 KV. Puedenconseguirse en RS, numero de catalogo 119-097. Los diodos empleados sonPhilips modelo BY 8224, están caracterizados para 30 kV y 3 mA con 100 nsde tiempo de recuperación. El aceite de parafina puede obtenerse en Riesgo.

Conclusión: El diseño del multiplicador de tensión embebido en aceite de parafina resultotremendamente práctico. De hecho en diferentes momentos hubo que sustituircondensadores y diodos averiados, lo que se realizo sin problemas. Cuandoesta en funcionamiento pueden verse corrientes del aceite de parafinainducidas por los potenciales electrostáticos. Los diodos utilizados resultaronpequeños y se estropearon frecuentemente. Resultaría conveniente instalaruna resistencia de 5 M a la salida para limitar la corriente. Este multiplicadorproduce chispas de más de 30 cm de longitud que resultan estremecedoras.

El circuito oscilador de potencia presentado en este trabajo funciono bien. Porcontra tiene el problema de estar alimentado en CC lo que encarece el circuitoespecialmente si se requieren altas potencias ya que es necesaria la fuente dealimentación completa. Este circuito se ha superado con un nuevo diseño en elque la red es directamente rectificada filtrada y chopeada por un oscilador demedio puente mucho mas robusto que el aquí presentado. El circuito encuestión resulta más simple y barato y además se suministra las transparenciaspara realizar el circuito impreso, con lo que se simplifica el montaje.

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